Сравнение DLTS с другими емкостными методами

В этом разделе мы кратко обсудим DLTS метод в соотношении с другими емкостными методами, применяемыми для изучения ловушек в полупроводниках, - TSCAP, TSCAP в краевой области, спектроскопией полной проводимости и фотоемкостью. Другой широко используемый метод - это метод термостимулированных токов (ТSС), однако, мы не будем делать детального сравнения с этим методом, так как его недостатки по сравнению с методами высокочастотной емкости известны. Если при некоторых обстоятельствах желательны измерения тока, то легко применить DLTS схему к релаксации тока также, как к релаксации емкости.

Фотоемкость — чувствительный, но не особенно полезный метод обзорного иссле­дования, так как данные нужно получать по точкам, и необходим довольно сложный анализ оптических сечений, чтобы получить точные параметры ловушки. Фотоемкость, однако, полезна, если представляют интерес оптические свойства глубокой ловушки.

Помимо DLTS другой метод, который можно рассматривать как спектроскопический, это недавно предложенный метод спектроскопии полной проводимости. Как и DLTS, он показывает пики, соответствующие каждой ловушке, и не зависит от скорости и направления термического сканирования. Однако, метод обнаруживает только ловушки основных носителей. В отличие от большинства других емкостных методов он лучше пригоден для мелких ловушек, чувствительность его убывает с увеличением глубины ловушек.

Ранее наилучшим емкостным методом был метод TSCAP. Можно рассматривать DLTS как улучшенный вариант ТSCAP, который имеет следующие преимущества: (i) гораздо более высокую чувствительность, (ii) больший интервал наблюдаемых глубин ловушек. и (iii) более удобен в применении и интерпретации.

Чувствительность DLTS проиллюстрирована графически на рис.13. Показаны электронные ловушки в n - GaAs (n=1^·10¹⁶ см^-3), выращенном методом молекулярной эпитаксии . Рис.13(а) показывает два температурных сканирования ВИТЬ с разным усилени­ем. Рис.13(Ь) показывает TSCAP прогон на том же образце. Отметим три уровня ловушек с концентрацией около 1·10¹³ см^-3 в верхнем на рисунке DLTS сканировании. Мы смогли зарегистрировать ловушки с концентрацией около 1·10¹² см^-3 и еще меньшей (т.е.. ΔС/С≤10^-4) при более длительном ска­нировании, позволяющем увеличить время усреднения. Ловушки с концентрацией 2·10¹⁴ см^-3 видны как в DLTS, так и в TSCAP записях при температурах около 330 и 260 К. соответственно. Три ловушки с малой концентрацией, которые должны наблюдаться в TSCAP спектре ниже 200 К не видны. Дифференциальная методика TSCAP имеет больше возможностей для их регистрации, однако, она не может конкурировать с предельной чувствительностью DLTS. Причина высокой чувствительности DLTS та же_, что и для хорошо известного случая lock-in (с синхронизацией) детектирования, а именно, сигнал с большой скоростью повторения может быть зарегистрирован и усилен в относительно спокойной области шумового спектра, которая находится далеко от неизбежного низкочастотного дрейфа и другого шума типа 1/f, связанного с аппаратурой обработки сигнала. То есть, при идентичных скоростях сканирования и временных костантах фильтра сигнал TSCAP или дифференциальной TSCAP (что существенно в случае постоянного тока и сканирования в течение нескольких минут или более) будет испытывать большее влияние дрейфа и пр., чем эквивалентный DLTS сигнал, который может наблюдаться со скоростью повторения до 20 кГц.

Другая причина высокой чувствительности DLTS связана с тем, что сигнал обусловлен повторяющейся релаксацией изменения заселенности ловушек. Поэтому нет необходимости делать поправку на смешение нулевой линии или вычитать нулевую линию, изменяющуюся из-за температурной зависимости общей емкости диода, как в случае TSCAP. Рис.13(b) показывает, как может изменяться с температурой емкость диода, даже если не изменяется заселенность глубокой ловушки. При большом усилении смешение нулевой линии может быть существенным для некоторых образцов даже в случае дифференциальной Т5САР.

Широкая область регистрируемых с помощью DLTS ловушек иллюстрируется на рис.14. Показаны три ловушки основных носителей в облученном электронами n – GaAs. Окно скорости равно 10⁴ сек^-1 , что раз в 10 меньше максимально возможное, начиная температурное сканирование с температуры около 30 К, можно наблюдать ловушки с энергиями активации 0,08, 0,17 и 0,38 эВ относительно зоны проводимости. По контрасту с DLTS. эффективное окно скорости метода ТSСАР имеет типичное значение около 0.1 сек^-1 , и, следовательно, невозможно наблюдать ловушки с глубиной более 0,25 эВ. Методика TSCAP краевой области может регистрировать такие мелкие и промежуточные ловушки основных носителей, но менее чувствительна, чем обычная TSCAP и ограничена только высокими концентрациями примесей, которые вводятся специально.

Две основных особенности DLTS дают ей преимущество по сравнению с TSCAP -это независимость от скорости сканирования и простота изменения и определения окна скорости для анализа энергии активации.

Характеристики температурного сканирования особенно важны для спектра диффе­ренциальной TSCAP. Установление связи величины производной для некоторого пика ловушки с истинным значением ΔС, необходимым для определения концентрации, более сложно, чем прямое получение величины ΔС из DLTS сканирования. Кроме того, нужно стараться делать скорость сканирования дифференциальной TSCAP воспроизводимой и линейной, чтобы получить хотя бы относительные концентрации.

Единственный недостаток DLTS заключается в том, что можно пропустить ловушки неосновных носителей, которые не могут быть заполнены до насыщения при достигаемых уровнях прямого тока (то есть с₂ крайне велико). Даже если удастся заполнить такие ловушки до насыщения в течение импульса инжекции, они могут опустошиться за время выключения импульса. Примером такого уровня является второе электронное состояние двойного донора кислорода в GаР. Другая проблема существует, если используется барьер Шоттки вместо p - n перехода. В этом случае невозможно наблюдать ловушки неосновных носителей, так как прямой ток не инжектирует неосновные носители. Однако, в этих случаях можно комбинировать DLTS и фотоемкость. Используется импульс основных носителей и в это же время освещается образец светом соответствующей длины волны из монохроматора. Отрицательная релаксация, обусловленная оптическим заполнением ловушки между импульсами, наблюдается для ловушки неосновных носителей, и константа скорости есть сумма скорости термической эмиссии e ₁ и результирующей оптической скорости заполнения ловушки. Когда е₁ значительно больше оптической скорости, ловушка не может быть заполнена между импульсами, и релаксация исчезает. При этой температуре наблюдается положительная ступенька на линии отсчета DLTS такого же типа как в TSCAP. Величина релаксации при температуре ниже ступеньки зависит от концентрации ловушек, а также от интенсивности и длины волны света.

Из сравнения с наилучшими существовавшими до сих пор емкостными методиками, очевидно, что DLTS дает существенное улучшение по чувствительности, интервалу глубин ловушек и простоте работы и анализа. Единственный большой класс ловушек, которые невозможно наблюдать методом DLTS, - это мелкие доноры и акцепторы, а также связанные экситоны. Однако, эти мелкие центры легко обнаруживаются с помощью люминесценции. В сущности, DLTS расширяет возможности спектроскопии в область глубоких и промежуточных ловушек, где не работает люминесценция, особенно это касается безизлучательных центров, о которых почти ничего не известно.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

1. ASTM F 978 - 90. Standard Test Method for Characterizing Semiconductor Deep Levels by Transient Capacitance Techniques // Current edition approved June 29, 1990. Originally published as F 978 - 86. Last previous edition F 978 - 86 // Annual Book of ASTM Standards, Vol 10.05, pp. 489-496.

2. Берман Л.С., Лебедев А.А. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках. -Л.: Наука, 1981.- 176 с.

3. Цветков Э.И. Процессорные измерительные средства. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1989. - 224 с.

4. Устюжанинов В.Н., Крылов В.П., Егоров М.А. Частотное сканирование в релаксационной спектроскопии глубоких уровней // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология): Материалы докл. межд. науч.-техн. семинара (Москва, 2 — 5 декабря 1996 г.). М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова, МЭИ, 1997.-С. 408-411.